严寒地区橡胶沥青及混合料适用性研究

刘 晗

（乌兰察布市交通建设工程质量监测鉴定站，内蒙古 集宁 012000）

1 引言

在我国北方寒冷地区，低温持续时间长，四季温差变化大，易导致沥青路面出现低温裂缝，进而引发松散、坑槽等衍生病害，使路面整体结构强度降低，缩短了沥青路面的使用寿命，增加了公路养护成本。如何减少或避免大温差导致的低温裂缝和水损害的产生，延长路面使用寿命，成为当前严寒地区高等级公路建设、运营及养护迫切需要解决的难题。

橡胶沥青具有良好的低温稳定性和优异的抗水损害性能，能够有效提高沥青混合料的耐久性和抗疲劳寿命，且具有抗滑降噪、无害化、资源化等特点，又能充分利用废旧轮胎，缓解“黑色”环境污染。曹卫东等[1]对历时7 年～17 年的橡胶沥青试验路及其对比路段进行性能检验和对比研究，发现室内试验和实际道路运用橡胶沥青混合料其低温抗裂性能均优于其他改性沥青路段；瑞典科学家为解决低温环境沥青路面寿命缩短、行车噪音过大的问题，铺筑了20多条橡胶沥青试验段，取得了良好的效果[2]；R Abe 等[3]采用三点弯曲疲劳等试验证明了橡胶沥青的低温抗裂性能均优于SBS 改性沥青，并降低了施工成本。我国业界学者[4-10]针对东北、内蒙古和新疆等严寒气候环境，对橡胶沥青及其混合料进行了初步探索。

2 严寒地区橡胶沥青评价指标和生产工艺

沥青的低温性能对混合料的低温性能贡献率高达80%。我国对橡胶沥青的研究仍以较成熟的聚合物改性沥青体系为基础，评价指标也是沿袭了高分子聚合物改性沥青的指标要求。实践中发现由于严寒地区特殊的环境温度与施工条件，如果沿用聚合物改性沥青的评价指标，无法取得良好的使用效果。

2.1 橡胶沥青评价指标

从表1可以看出，国外橡胶沥青的评价指标主要为针入度（或锥入度）、软化点、粘度和弹性恢复。从表2可以看出，国内橡胶沥青检测指标主要为25℃针入度、软化点、5℃延度、粘度和弹性恢复。国内外都以粘度指标作为橡胶沥青主要的判定依据，但国外并未表述延度对橡胶沥青的影响。橡胶沥青是一种非匀质的两相材料，延伸能力远较单相的沥青材料小，常规的弹性恢复试验不能反映出橡胶沥青的弹性恢复能力，对于橡胶沥青混合料，需要试验其胶粉颗粒的抗压恢复能力。橡胶目数越少，胶粉核心颗粒就越大，低温回弹性能就越强，因此，严寒地区宜选用目数较低的粗颗粒橡胶沥青。针入度试验针尖有可能扎到胶粉颗粒而使结果偏小，增加胶结料的粘度，有助于降低胶结料的温度敏感性，延迟温度裂缝的产生。橡胶沥青拉伸柔度越小，低温弯曲应变越大。基于上述分析并综合国内外橡胶沥青的评价指标研究，本文提出了严寒地区粗颗粒橡胶沥青的评价指标，其技术要求见表3。

表1 国外橡胶沥青评价指标

表2 国内橡胶沥青评价指标

表3 严寒地区粗颗粒橡胶沥青评价指标与技术要求

2.2 橡胶沥青生产工艺

我国目前的橡胶生产主要通过限定废旧轮胎来源，仅用斜交胎和子午胎的胎面部分，采用常温粉碎的方式生产橡胶粉。通过剥离废胎钢丝、电磁选除钢丝、粗碎筛分、中碎筛分、选除纤维、集料和分散包装等工艺流程，获得不规则、大比表面积的胶粉颗粒，与基质沥青混合后有利于二者的溶胀反应。

目数作为橡胶粉的重要技术指标之一，应具备一定的级配范围。废旧轮胎在常温粉碎的过程中受到强烈的剪切和氧化作用，产生酸性基团，粒径越小，表面积越大，表层酸性浓度也越大，与酸性集料接触时，影响橡胶改性沥青混合料的路用性能。胶粉较小的粒径往往会引发胶粉结团现象，容易引发安全事故。粒径较粗会导致橡胶沥青性能不稳定。因此本文推荐在严寒地区采用粗颗粒橡胶沥青：30目橡胶粉，胶粉掺配比20%，发育时间45min，温度185℃。

为保证生产的橡胶沥青性能稳定和具有抗低温的性能，生产橡胶沥青的设备需满足以下技术要求：

①基质沥青贮存罐，应具备导热油的加热系统和升控温功能，供应温度应控制在140℃～160℃。

②橡胶粉的添加设备，应具备体积与称重双计量方式，体积计量精度不大于0.5%。

③橡胶沥青发育罐，发育温度180℃～190℃，应具备搅拌功能，防止橡胶粉沉淀和积存，加速预混物的溶胀。

④橡胶沥青加工设备的加温和控温系统。

⑤生产质量监控设备，温度、液位、进料控制、转速等显示全部进控制室。

⑥安全、环保和可靠。

3 严寒区橡胶沥青混合料设计关键指标

关键筛孔通过率决定着混合料的级配是否合理，对橡胶沥青混合料体积参数和低温性能有着重要影响。传统经验认为，增大沥青用量，沥青混合料高温稳定性降低，易导致路面车辙病害。现有设计仅对最小沥青用量进行限制，忽略了最大沥青用量，对于严寒地区并不能充分发挥沥青混合料自身性能。因此，在严寒地区增大沥青用量可以增加集料油膜裹覆厚度，提高沥青混合料的低温性能。

3.1 关键筛孔通过率

严寒地区沥青路面产生的裂缝主要为低温裂缝和温度疲劳裂缝。通常沥青混合料低温抵抗开裂破坏的能力通过低温弯曲试验破坏弯拉应变来反映和表示，弯拉应变越大，沥青混合料低温时抵抗收缩应力的效果越好，路面越不容易出现低温裂缝，相应服役寿命越长。严寒地区道路冬冻春融导致了路面的水损害，加速了路面的早期损坏，严重缩短了沥青路面的使用寿命，增加后期养护成本，因此人们通常用浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验评价沥青混合料的水稳性能，浸水残留稳定度与冻融劈裂比这两项指标对严寒地区道路有着重要影响。长安大学安海超博士[11]通过大量试验获得关键筛孔通过率，得出严寒地区橡胶沥青混合料体积指标与低温性能指标的影响规律：0.075mm和4.75mm筛孔通过率分别为30%～32.5%和8.9%～10.9%时，橡胶沥青混合料具有较好的低温稳定性及抗水损害能力。弯拉应变、浸水残留稳定度和冻融劈裂比作为重要控制指标。

3.2 橡胶沥青油膜厚度

增大油膜厚度，有利于提高沥青混合料的柔韧性与低温耐久性，可以有效预防早期裂缝的产生，从而延长路面使用寿命，对于严寒地区沥青混合料的设计和低温性能有着重要影响。严寒地区橡胶沥青混合料油膜厚度的选择应首先保证其低温性能，避免沥青混合料在冻融循环作用下过早产生低温裂缝，其次应尽量提高水稳定性能。由于严寒地区夏季虽然短暂，但紫外线比较强烈，路表温度也较高，因此还应兼顾高温稳定性。综合考虑，推荐沥青混合料油膜厚度范围为19μm～21μm。

3.3 橡胶沥青混合料级配范围和性能要求

本文综合国内外橡胶沥青混合料的评价指标和技术要求以及大量马歇尔试验验证，提出严寒地区橡胶沥青混合料（AR-AC-13）的级配范围和技术性能要求，见表4和表5。

表4 AR-AC-13橡胶沥青混合料级配范围（严寒区）

表5 AR-AC-13橡胶沥青混合料技术要求（严寒区）

4 严寒地区橡胶沥青与SBS改性沥青及其混合料低温性能对比

本文用低温劲度模量和蠕变速率对比橡胶沥青和SBS改性沥青的低温性能，见表6；橡胶改性沥青混合料与SBS改性沥青混合料路用性能对比见表7。

表6 橡胶沥青与SBS改性沥青低温性能对比

表7 橡胶改性沥青混合料与SBS改性沥青混合料低温性能对比

通常胶结料的低温劲度模量越小，蠕变速率越快，低温抗裂性能越优异，对低温环境的适应性越强，从表6可以看出，橡胶沥青更有助于提高路面的抗低温性能。从表7可以看出，橡胶沥青混合料（AR-AC-13）低温弯曲破坏应变、残留强度比和残留稳定度比SBS改性沥青混合料（SMA-13）提高了40.6%、4.6%和3.5%，可见粗颗粒橡胶沥青及其混合料更适合严寒地区的特殊环境。

5 结语

本文基于严寒地区特殊的应用环境和国内外学者对橡胶沥青及混合料的研究成果，提出严寒地区橡胶沥青的评价指标和生产工艺、关键筛孔通过率和油膜厚度等橡胶沥青混合料设计的关键指标，并通过橡胶沥青与SBS改性沥青及其混合料低温性能的对比分析，得出以下结论：

①综合国内外橡胶沥青的评价指标研究，提出了严寒地区以粘度、针入度、软化点、回弹恢复和拉伸柔度为粗颗粒橡胶沥青主要评价指标。

②推荐在严寒地区采用粗颗粒橡胶沥青：30目橡胶粉，胶粉掺配比20%，发育时间45min，温度185℃。

③通过分析关键筛孔和油膜厚度对橡胶沥青混合料低温性能的影响，提出严寒地区橡胶沥青混合料（ARAC-13）的级配范围和技术性能要求。

④对比分析橡胶沥青与SBS 改性沥青及其混合料低温性能，发现粗颗粒橡胶沥青更适合严寒地区的特殊环境。